Advanced Functional Materials:全小分子有机太阳能电池: 侧链支点外移优化薄膜多级次形貌实现效率提升

有机太阳能电池因为其具有轻量,低成本,可大面积柔性制备等特性,一直得到广泛的关注。随着分子设计的不断深入和器件工艺的优化,能量转化效率(PCE)在近几年来取得了较大提升。在非富勒烯体系的开发过程中,基于聚合物给体/非富勒烯受体的太阳能电池的效率已提高到17%以上。从材料本身来看,聚合物给体材料存在着批次性差异等问题,小分子给体具有确定的化学分子结构且易于提纯等优势,因此具有相对较好的重复性。然而相比于聚合物,小分子给体较强的结晶性导致在全小分子有机太阳能电池中(ASM-OSC)通常难以形成合适的互穿网络形貌,从而缺乏有效的电荷传输通道,限制激子扩散和电荷分离,这也在某种程度上解释了ASM-OSC的填充因子(FF)往往不如聚合物太阳能电池高的原因。因此,深入优化活性层形貌是提高ASM-OSC性能最关键因素之一。

最近,国家纳米科学中心魏志祥研究员和吕琨研究员课题组为此设计合成了三个以二噻并[2,3-d:2’,3-d]苯并二噻吩(DTBDT)为核,烷基联噻吩为π桥,罗丹宁为端基的小分子给体ZR2-Cn(n = 1、2或3),Cn指DTBDT核和烷基侧链支点之间的线性碳原子数。随着烷基链支点外移,三个分子的π-π堆积相互作用逐渐增加,加上给受体材料结晶性的匹配,实现了含纳米纤维的多级次优化形貌(如图所示)。可溶液加工的全小分子有机太阳能电池器件结果表明,随着烷基链支点外移,PCE逐渐升高。在不使用添加剂和电子传输层的前提下,选用Y6作为受体的ZR2-C3:Y6器件的PCE最高为14.78%,FF为70.06%,而ZR2-C1:Y6和ZR2-C2:Y6器件的PCE分别为11.79%和12.84%,FF分别为65.12%,65.43%。在另外一个例子中,当三个给体分别与IDIC-4F受体共混时,基于ZR2-Cn:IDIC-4F的器件表现出相似的趋势。差示扫描量热法(DSC)测试表明烷基链支点外移引起的分子热物理性质的变化及给受体间相互作用不同会影响混合膜中分子堆积的有序性和结晶性能。

这项研究表明,烷基侧链支点的变化是改变小分子π-π堆积相互作用的有效的策略,从而实现优化的含纳米纤维的多级次形貌,对理解全小分子有机太阳能电池的工作机理有重要意义,有助于实现全小分子有机太阳能电池效率的进一步提高。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202005426)。该成果得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委和中科院先导专项(B类)等项目的支持。